Các nhà nghiên cứu từ Đại học công nghệ Hebei, Đại học khoa học và công nghệ Kunming, Đại học khoa học và công nghệ Macau và CNRS vừa báo cáo một phương pháp hóa học mới, giải quyết sự xuống cấp do ánh sáng gây ra bên trong vật liệu perovskite, giúp ổn định pin mặt trời perovskite.

Sử dụng phương pháp này, các nhà nghiên cứu chế tạo thiết bị perovskite đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng được chứng nhận vượt quá 26%, trong khi vẫn duy trì hiệu suất hàng nghìn giờ dưới tác động của ánh sáng, một yêu cầu quan trọng cho việc sử dụng thực tế của pin mặt trời perovskite.

Vật liệu perovskite halogen kim loại bấy lâu nay đã nhanh chóng tiếp cận, thậm chí cạnh tranh với hiệu suất của pin mặt trời silicon. Tuy nhiên, khi tiếp xúc với ánh sáng và oxy, vật liệu này tạo ra các gốc superoxide, làm hư hại cấu trúc tinh thể từ bên trong.

Sự xuống cấp bên trong này rất khó ngăn chặn bằng các biện pháp bảo vệ thông thường như bao bọc. Nghiên cứu mới tập trung vào việc trung hòa các phản ứng hóa học gây ra hư hỏng, thay vì bảo vệ thiết bị khỏi hư hại từ cách tiếp cận bên ngoài.

Nhóm nghiên cứu quốc tế đã đưa chất ổn định ánh sáng amine cản trở, trực tiếp vào pin mặt trời perovskite đảo ngược. Chất ổn định này đã được sử dụng trong nhựa để ngăn ngừa hư hại do ánh sáng mặt trời, nhưng đây là một trong những minh chứng đầu tiên về hiệu quả của chúng bên trong pin mặt trời perovskite.

Dưới tác động ánh sáng, amine cản trở hấp thụ năng lượng ánh sáng, tạo thành các gốc nitroxyl. Chất này phản ứng với các gốc superoxide hình thành bên trong perovskite. Bằng cách loại bỏ các gốc tự do có tính phản ứng cao ngay từ đầu, trước khi chúng tấn công các cation hữu cơ hoặc liên kết chì-iodide, kỹ thuật này ngăn chặn tác nhân hóa học chính gây ra sự suy thoái do ánh sáng.

Một ưu điểm quan trọng của phương pháp này là chất ổn định hoạt động liên tục. Quá trình loại bỏ gốc tự do có khả năng tái tạo, nghĩa là phân tử có thể tiếp tục trung hòa các chất gây hại trong suốt quá trình hoạt động của thiết bị mà không bị tiêu hao.

Song song đó, các nhóm chức năng trong phân tử amine cản trở, còn kết hợp với các ion chì thiếu liên kết và các vị trí khuyết iodine tại ranh giới hạt và bề mặt màng perovskite. Tương tác hóa học này làm giảm trạng thái bẫy điện tử, làm tăng kích thước hạt perovskite, làm mịn hình thái màng.

Những cải tiến này giúp các điện tích di chuyển hiệu quả hơn trong thiết bị, tăng công suất đầu ra mà không làm tăng độ phức tạp trong sản xuất.

Nhờ sự kết hợp giữa ngăn chặn phản ứng hóa học và kiểm soát khuyết tật, các nhà nghiên cứu đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng được chứng nhận là 26,74%. Pin mặt trời perovskite đảo ngược được chế tạo trong điều kiện không khí môi trường xung quanh, cho thấy tính khả thi của phương pháp này.

Các thử nghiệm độ ổn định cũng cho thấy kết quả ấn tượng tương tự. Các pin không được bao bọc vẫn giữ được hơn 95% hiệu suất ban đầu sau 1.000 giờ tiếp xúc với ánh sáng liên tục. Để so sánh, nhiều pin perovskite hiệu suất cao bị giảm hiệu suất đáng kể chỉ trong vòng vài trăm giờ.

Công trình nghiên cứu này cho thấy, sự không ổn định do ánh sáng trong pin mặt trời perovskite không phải là do vấn đề vật liệu không thể tránh khỏi, mà là vấn đề có thể giải quyết được bằng phương pháp hóa học, các nhà nghiên cứu lưu ý.

Các tác giả cho hay, phương pháp dùng amine cản trở, dễ dàng tích hợp vào các thiết kế perovskite hiện có và các kỹ thuật chế tạo quy mô lớn. Điều này làm cho nó trở nên hấp dẫn với các ứng dụng thương mại như tấm pin mặt trời tích hợp vào tòa nhà và tấm pin song song kết hợp với silicon. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí eScience.